[논문]분산 구동 메커니즘을 내장한 로봇 핑거의 정밀 자세 제어기 설계

신영준; 김경수; 김수현

doi:10.5302/j.icros.2010.16.9.846

분산 구동 메커니즘을 내장한 로봇 핑거의 정밀 자세 제어기 설계
Precise Control Law Design of Robot Finger Embedding Distributed Actuation Mechanism 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.16 no.9, 2010년, pp.846 - 851

신영준 (KAIST 기계항공시스템학부) , 김경수 (KAIST 기계항공시스템학부) , 김수현 (KAIST 기계항공시스템학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we newly propose a novel control strategy of a three joints-robot finger for the purpose of artificial hands. The robot finger is specifically modeled by using a 3D CAD program (CATIA), considering human fingers, and then the proposed control method is verified through the dynamic simulation tool (Simulink and Recurdyn R2). Each slider is individually controlled to be located at the optimal positions where the maximal joint torque can be generated. To prove the effectiveness of the proposed control method, we devise two cases for the reference position of sliders. By comparing the control performance of two cases, the validity of the proposed control method will be verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 분산구동 메커니즘을 내장한 4마디 3관절의 로봇 핑거의 효과적인 제어법에 대해서 논하였다. 분산구동 메커니즘은 로봇 핑거의 성능 향상을 위한 추가적인 설계 변수를 제공하기 때문에, 이동자의 최적 위치 제어를 통해 최대 78.
본 연구에서는 분산구동메커니즘을 내장한 로봇 핑거의 효과적인 제어법에 대해서 논하고자 한다. 분산 구동 메커니즘을 내장한 로봇 핑거의 기구학적 해적 및 토크 최적화 문제를 다루고 있으며, 수치적 접근을 통해 토크의 증대 및 최적 이동자 위치를 확인한다.

가설 설정

(a) 이동자 j1만 작동하며, 이동자 j2는 정지되어 있다.
이동자의 추력에 의해 로봇 핑거의 각 관절에 가해지는 토크를 유도하기에 앞서 문제의 복잡성을 피하기 위해, 다음의 가정을 고려하도록 한다.

제안 방법

분산 구동 메커니즘을 내장한 로봇 핑거의 기구학적 해적 및 토크 최적화 문제를 다루고 있으며, 수치적 접근을 통해 토크의 증대 및 최적 이동자 위치를 확인한다. 3D CAD 프로그램(CATIA)으로 로봇 핑거의 모델을 구축하고, 상용 동역학적 시뮬레이션 툴리커다인(recudyn) 및 시뮬링크(simulink)를 활용하여 제안된 제어기법을 검증하고자 한다.
또한 이동자 및 관절의 운동범위를 고려하여 커넥팅 로드의 길이를 정하였다. 그리고 기존 로봇손가락에 비해 유연성(dexterity)을 높이고자 3 자유도를 가지도록 설계하였다. 다만, 단순화를 위해서 손가락의 내전(adduction)/외전(abduction) 운동에 대한 고려는 하지 않았다.
동역학적 시뮬레이션을 통해, 이동자의 위치 조절이 제어 성능에 미치는 효과를 검증하고자 표 3과 같이 Case I과 Case II를 고안하였다. Case I의 경우, 각 관절에서 생성되는 토크가 최대가 되도록 하는 이동자의 위치를 고려하여 이동자의 경로를 생성하였으며, 반대로 Case II의 경우, 첫 번째 및 두 번재 관절의 경로는 Case I과 동일하며, 세 번째의 관절에 대해서만 임의의 경로를 지정해주었다.
우선 로봇 핑거의 길이 및 부피는 성인의 손가락을 기준으로 하였으며, 선형 구동이 가능한 상용 구동기의 크기를 고려하여 결정되었다. 또한 이동자 및 관절의 운동범위를 고려하여 커넥팅 로드의 길이를 정하였다. 그리고 기존 로봇손가락에 비해 유연성(dexterity)을 높이고자 3 자유도를 가지도록 설계하였다.
Case I의 경우, 각 관절에서 생성되는 토크가 최대가 되도록 하는 이동자의 위치를 고려하여 이동자의 경로를 생성하였으며, 반대로 Case II의 경우, 첫 번째 및 두 번재 관절의 경로는 Case I과 동일하며, 세 번째의 관절에 대해서만 임의의 경로를 지정해주었다. 로봇 핑거 말단의 목표지점 및 이동자의 작동 범위는 표 2의 조건과 동일하며, 상용 시뮬레이션 툴 리커다인(RecurDyn R2) 및 시뮬링크(simulink)를 활용하여 2가지 경우에 대해서 위치 제어 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 분산구동메커니즘을 내장한 로봇 핑거의 효과적인 제어법에 대해서 논하고자 한다. 분산 구동 메커니즘을 내장한 로봇 핑거의 기구학적 해적 및 토크 최적화 문제를 다루고 있으며, 수치적 접근을 통해 토크의 증대 및 최적 이동자 위치를 확인한다. 3D CAD 프로그램(CATIA)으로 로봇 핑거의 모델을 구축하고, 상용 동역학적 시뮬레이션 툴리커다인(recudyn) 및 시뮬링크(simulink)를 활용하여 제안된 제어기법을 검증하고자 한다.
표 4. 세번째 관절의 Case I과 Case II의 성능 비교.
분산구동 메커니즘을 내장한 로봇 핑거의 설계 시 중요하게 다루어야 하는 설계 변수에는 로봇 핑거의 총 길이, 부피, 무게, 이동자 및 각 관절의 운동 범위 등이 있다. 우선 로봇 핑거의 길이 및 부피는 성인의 손가락을 기준으로 하였으며, 선형 구동이 가능한 상용 구동기의 크기를 고려하여 결정되었다. 또한 이동자 및 관절의 운동범위를 고려하여 커넥팅 로드의 길이를 정하였다.
정의된 토크 최적화 문제에 대해서, 분산구동 메커니즘이 제공해주는 효과를 수치적으로 검증하기 위해서 표 1 및 표 2의 시스템 변수를 고려하도록 한다.
그리고 로봇 핑거의 제어 입력은 각 관절 당 2개씩 총 6개가 필요하기 때문에, 토크 분배법[13] 등의 다양한 자세 제어 방법을 생각할 수 있다. 하지만 본 연구에서는 이동자의 위치가 로봇 핑거의 성능에 미치는 영향을 평가하는 것이 목표이며, 이를 위해서 이동자의 기준 경로(reference trajectory)를 추종할 수 있는 PD 제어기를 설계하였다. 각 관절당 2개의 제어 입력 중 하나는 로봇 핑거의 자세(또는 관절각)을 제어할 수 있도록 하며, 나머지 하나는 이동자의 최적 위치를 추종하도록 한다.

성능/효과

또한, Case I 및 Case II의 제어 결과에 대해서, 성능 비교를 위해, 표 4에 제어 입력 힘의 대푯값을 정리하여 나타내었다. 로봇 핑거의 자세 위치제어를 위해 이동자에 가해진 최대 입력 힘은 Case I에 비해 Case II의 경우 68.9 % 더 크며, RMS(root mean square) 값 또한 Case I에 비해서 Case II가 78.3 % 크게 나타났다.
본 연구에서 고려하는 로봇 핑거는 정해진 목표 지점에 대해서 자세 변경이 가능하고, 주어진 자세에 대해서도 이동자의 위치가 유일하게 결정되지 않는 추가적인 설계변수를 가진다. 그리고 로봇 핑거의 제어 입력은 각 관절 당 2개씩 총 6개가 필요하기 때문에, 토크 분배법[13] 등의 다양한 자세 제어 방법을 생각할 수 있다.
본 연구에서는 분산구동 메커니즘을 내장한 4마디 3관절의 로봇 핑거의 효과적인 제어법에 대해서 논하였다. 분산구동 메커니즘은 로봇 핑거의 성능 향상을 위한 추가적인 설계 변수를 제공하기 때문에, 이동자의 최적 위치 제어를 통해 최대 78.3 % 정도의 성능 향상을 얻을 수 있었다.
그림 5에서 확인할 수 있듯이, (정적인 평형 상태에 도달한 경우) 관절에서 발생되는 토크는 이동자의 위치 조정만으로도 크게 향상 시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 여유 자유도의 효과로 동일한 목표지점에 대해서 로봇 핑거의 자세 변경으로 74.1% 향상할 수 있으며, 로봇 핑거의 자세가 고정되어 있어도 이동자의 위치 조절만으로 69.8%의 토크를 추가적으로 더 향상 시킬 수 있음을 보여주고 있다. 이러한 점은 로봇 핑거에 가져다 주는 분산 구동 메커니즘의 중요한 특징이다.
9 mm)에 대해서, 로봇 핑거의 자세를 변화시키면서 제어한 결과를 그림 8, 9, 10에 나타내었다. 토크 최적화 함수에 의해서 세 번째 관절의 이동자의 위치가 두 가지 경우에 대해 다르게 나타남을 확인할 수 있으며, 이동자 및 관절각의 제어 성능은 두 가지 경우 모두 정밀하게 제어가 된 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이러한 점은 로봇 핑거에 가져다 주는 분산 구동 메커니즘의 중요한 특징이다. 따라서 로봇 핑거를 위치 및 힘 제어 시 이동자의 경로를 최적으로 설정한다면, 더 작은 용량의 구동기를 사용하여 부피를 줄일 수 있으며, 더 큰 출력을 생성하여 구동기의 최대 효율을 이끌어 낼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇손이 사람손을 대체하기 위해서 필요한 연구 분야는?	재활 및 의료용 로봇 분야에서는 불의의 사고나 선천적 장애에 의해 손이 없는 사람을 위한 의수(artificial hands or arms)를 개발하는 연구가 활발히 진행 중이다. 사람손이 가지는 유연하고 섬세한 매니퓰레이션 기능을 로봇손으로 대체 하기 위해서, 구동기 및 센서, 물체의 정밀/강력 파지를 위한 제어기법 그리고 구동 메커니즘, EMG 신호처리, 햅틱 등 다양한 분야에서 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그 중에서도 로봇손을 실제 사람의 손과 흡사한 물리적 특성을 가지도록 개발하는 것이 중요한 이슈가 되고 있다.
	재활 및 의료용 로봇 분야에서 이뤄지는 로봇손 개발연구는 무엇이 있는가?	로봇손 개발연구는 로보틱스에서 중요한 이슈 중 하나이다. 재활 및 의료용 로봇 분야에서는 불의의 사고나 선천적 장애에 의해 손이 없는 사람을 위한 의수(artificial hands or arms)를 개발하는 연구가 활발히 진행 중이다. 사람손이 가지는 유연하고 섬세한 매니퓰레이션 기능을 로봇손으로 대체 하기 위해서, 구동기 및 센서, 물체의 정밀/강력 파지를 위한 제어기법 그리고 구동 메커니즘, EMG 신호처리, 햅틱 등 다양한 분야에서 연구가 활발히 이루어져 왔다.
	형상기억합금 와이어가 의수에 사용하기엔 역부족인 이유는?	이러한 문제점을 해결하고자 형상기억합금 와이어(SMA wire)를 사용하여 경량의 로봇손을 개발하려는 시도가 있었다[6,7]. 이 경우 구동기의 비선형적 성질 때문에 제어가 용이하지 못하며 출력이 크지 않아서, 의수로 사용하기에는 역부족이다. 의수뿐만 아니라 수술용 로봇의 말단장치로(End-effector)로 응용하기 위한 로봇손 연구[8]가 있었으나, 이 또한 그 출력힘이 작고 제어가 용이하지 않다는 단점이 있으며, 충분한 운동범위 및 반응속도를 확보하기 위해서는 부피가 커질 수밖에 없는 단점이 있다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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